Einfluss von unterschiedlichen Versuchsparametern auf das Ermüdungs- und statische Zugverhalten von Litzenzuggliedern

Abstract

Im Zuge des von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) geförderten Forschungsprojektes "Litzenzugglieder mit erhöhter Dauerschwingfestigkeit" wurde vom Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien das Dauerschwingverhalten von Schrägkabel- bzw. Vorspannsystemen experimentell untersucht. Die von Prof. Kollegger im Jahr 2006 entwickelte und patentierte Resonanzprüfmaschine [KKP06] machte erstmals eine dynamische Prüfung von Litzenzuggliedern unter realitätsnahen Prüfbedingungen zu vertretbaren Kosten möglich. Aufgrund der Funktionsweise der Anlage konnten parallel-litzige Zugglieder mit Prüffrequenzen von bis zu 29 Hz getestet werden. Durch die enge Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wurden 119 Ermüdungs- bzw. statische Zugversuche an Litzenbündelsystemen ausgeführt. Dabei sollte gezielt der Einfluss von Lastwechselzahl, Schwingbreite, Oberlast und Prüffrequenz auf das Ermüdungsverhalten von bestehenden Systemen untersucht werden. Aufbauend auf den Versuchsergebnissen war eine Verbesserung der Verankerungssysteme geplant. Mit Hilfe von Langzeitermüdungsversuchen sollten zusätzlich das Auftreten und die Ausbreitung von Drahtbrüchen erforscht werden. Im ersten Teil der experimentellen Untersuchungen konnte die Dauerschwingfestigkeitsgrenze von einlitzigen Systemen bestimmt werden. Die Versuche bestätigten die gute Funktionsweise der Keilverankerung bei zyklischen und rein statischen Belastungen. Der getestete verzinkte Spannstahl zeigte ebenfalls exzellente technologische Eigenschaften. Der Mittelwert der Dauerschwingfestigkeit der Systeme lag deutlich über den laut [Fib05] geforderten Mindestwerten. Zusätzlich konnte kein Einfluss der Prüffrequenz auf das Dauerschwingverhalten der Monolitzensysteme zwischen 4 und 14 Hz festgestellt werden. Weder im Zeitfestigkeits- noch im Dauerschwingfestigkeitsbereich gab es Abweichungen aufgrund der Belastungsfrequenz. Der zweite Teil der experimentellen Versuche beschäftigte sich mit der Bestimmung des Dauerschwingverhaltens von parallel-litzigen Schrägkabelsystemen. Anfänglich konnte zwar der Einfluss von Schwingbreite und Lastwechselzahl auf das Ermüdungsverhalten der verzinkten Litzenbündelsysteme erfolgreich untersucht werden, jedoch trat im Verlauf der weiteren Versuche ein verfrühtes Versagen bei den im Anschluss an die Ermüdungsversuche durchgeführten statischen Zugversuche auf. Angesichts dieser Tatsache wurden Vergleichsversuche mit unterschiedlichen Spannstählen und Spannverankerungen ausgeführt. Im Zuge dieser Vergleichsversuche konnten 68 Versuche an 1- bis 55-litzigen Schrägkabel- bzw. Vorspannsystemen mit 19 unterschiedlichen Spannstählen verwirklicht werden. Die an unverzinkten Spannstählen durchgeführten Versuche lieferten ausgezeichnete Ergebnisse. Die Funktionsweise der Verankerungen konnte dadurch ebenso wie das neue Prüfverfahren verifiziert werden. In weiterer Folge ergaben umgelenkte Einzelzugversuche mit Keilverankerungen sehr aufschlussreiche Ergebnisse. Es war ein direkter Zusammenhang zwischen Umlenkwinkel und statischer Bruchkraft der Monolitzensysteme feststellbar. Dieser Effekt konnte nur bei den getesteten verzinkten Spannstählen beobachtet werden. Unverzinkte Litzenzugglieder hingegen zeigten sich äußerst resistent in Hinblick auf die getesteten Umlenkwinkel. Die im dritten Teil der experimentellen Untersuchungen durchgeführten Langzeitermüdungsversuche mit 50 Millionen Lastwechseln an 19-litzigen Schrägkabelsystemen zeigten, dass es durch einzelne Drahtbrüche zu keiner progressiven Schädigung des Gesamtsystems kommen kann. Die HDPE-Ummantelung jeder einzeln verankerten Litze verhindert eine fortschreitende Schädigung des Kabelquerschnitts infolge von Reibermüdung. Aufbauend auf dieser Arbeit sollte die Anfälligkeit der verzinkten Spannstähle auf Umlenkungen weiter erforscht werden. Eigenspannungen, welche während der Fertigung der hochfesten Drähte entstehen, könnten in direktem Zusammenhang mit dem verfrühten Versagen von gebündelten verzinkten Spannstählen während der Durchführung von statischen Zugversuchen stehen. Eine Überlagerung mit den Biegespannungen infolge der Bündelung der Litzenzugglieder könnte der Grund des vorzeitigen Versagens der umgelenkten verzinkten Spannstähle sein. Nichtsdestotrotz zeigten die verzinkten Spannstähle auch bei hohen Lastwechselzahlen und Schwingbreiten ein gutes Ermüdungsverhalten. Die Ergebnisse bestätigten die bereits vermutete Theorie, dass die erhöhte Lastwechselzahl (bis zehn Millionen Lastzyklen) keinen erheblichen Einfluss auf das Dauerschwingverhalten der verzinkten, mit Wachs verpressten Schrägkabelsysteme hat. Die Zink- bzw. Wachsschicht wirkt als eine Art Gleitschicht zwischen den Drähten und schützt diese vor Reibermüdungsschäden. Unter der Voraussetzung einer passenden Spannstahlqualität und einer gut funktionierenden Keilverankerung, könnte eine Erhöhung der Oberlast der Schrägkabelsysteme durchaus realisierbar sein. Diese Annahme sollte aber erst durch Versuchsserien an gebündelten Systemen überprüft werden. Einerseits würde eine Anhebung der Oberlast zu Einsparungen von Spannstahl führen, und andererseits könnte dies dem Trend der ständig steigenden Zugfestigkeiten der Litzen entgegenwirken. Gleichzeitig verbessert sich durch den geringeren Kabeldurchmesser die aerodynamische Eigenschaft der Litzenzugglieder.

In the course of a research project, carried out at the Institute for Structural Engineering at Vienna University of Technology, the influence of different testing parameters, like stress range, test frequency, upper load and the number of load cycles, on the fatigue behavior of tendons, was investigated. With the help of the resonance-testing machine, invented by Prof. Kollegger in the year 2006, it was possible to test different parallel strand stay-cable and post-tensioning systems under real loading conditions. A total of 129 fatigue and static tensile tests have been performed with variable sizes of anchorages (1 to 55 strands) and prestressing steels. Based on the experimental test results, an improvement of the anchorages was planned. Also long term fatigue tests with up to 50 million load cycles were carried out to investigate the progress of wire failures at a steady rise of the load cycles. The first part of the experimental investigations showed a very high fatigue resistance of galvanized monostrand systems. The tests demonstrated the functional principle of the wedge anchorages at fatigue and static loading conditions and the achieved endurance limits exceeded the requirements according to [Fib05]. Moreover there was no influence of the testing frequency on the fatigue behavior of the systems detectable between 4 and 14 Hz. In the second part of the experimental program the fatigue and static loading behavior of parallel-strand cables were analyzed. Because the majority of the static tensile tests with galvanized strands showed a brittle failure under load levels much lower than the minimum requirements according to [Fib05], a series of intercomparison tests were conducted. 68 tests with 19 different prestressing steels demonstrated the high sensibility of galvanized strands on the deviation during the static tensile tests. In comparison, non-galvanized strands showed no dependence on the bending angle which occurs through the bundling effect of the cables. The long term fatigue behavior of stay-cable systems with 19 strands showed a very high fatigue resistance of the tested components. The major advantage of parallel strand cable systems is the fact that single wire failures, which can always occur for example due to local material defects, have no impact on the fatigue or the static behavior of the surrounding tendons. The PE-coating of the galvanized strands prevents fretting fatigue problems in the touching tendons. In a worst case scenario, a broken wire could damage the other six wires of the same strand but by no means can progressive damage occur in the surrounding strands. In such a case the current parallel strand systems would also allow a replacement of single broken strands. Based on the results of this thesis, the influence of the deviation of galvanized strands on the static loading behavior should be investigated. Residual stresses induced through the manufacturing process of the strands could lead to critical stresses in the bundled strands during the static tensile tests. Nevertheless, the tests confirmed the high fatigue resistance of the galvanized, waxed and PE-coated strands, although the stress range and the load cycles were much higher than the recommended values according to [Fib05].